太阳能光伏发电系统设计与安装要点探究

徐艳

（南京城镇建筑设计咨询有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

在进行太阳能光伏发电系统设计中，需结合太阳能光伏发电系统运行特点及建筑性质特点，研究设计不同组成部分，对于太阳能电池组件布置、逆变系统设计及设备安装、系统的防雷及接地装置、系统的连接电缆及防护材料以及监控系统进行系统化设计。设计的同时需要做好各部门之间的沟通和交流，共同商讨设计和安装的方案，不断创新当前的设计模式，提高太阳能光伏发电系统的有效利用率，提高当前的实际效果。

1 太阳能光伏发电系统的概述

1.1 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电分为三种：孤网发电（需要配置蓄电池储能）；并网发电（不使用蓄电池，直接与公用电网并接）；微电网发电（可并网也可孤网运行）。独立式发电系统一般由光伏组件（太阳能光伏面板）、控制器、蓄电池、逆变器等构成；并网光伏发电系统主要由光伏组件（太阳能光伏面板）、汇电箱、并网逆变器、监控系统和双向电能计量装置组成；太阳能微发电包含了太阳能控制器和蓄电池。

首先太阳能光伏发电系统中光伏组件为重要的组成部分，也是光电能转换的基础设备，太阳能光伏发电系统的光伏电池要通过阳光照射之后转变为光电的半导体，再根据半导体所产生的光伏效应将阳光直接转变为电能，发出的直流电经逆变器转成交流电输送到电网。光伏电池还可以通过激发少数载流子来进行发电，在生产过程中不会出现任何的化学反应，也不会出现任何的机械耗能，属于高效率的产业模式。在太阳能光伏发电系统应用时也不会产生较为严重的噪声，多方位地满足当前环境保护的要求[1]。在光伏发电中主要是对电池方阵进行功率的输出以及控制，并且在整个过程中需要合理地管控能源的消耗量，缓解不同的干扰性因素，以及失真的状态发生程度等等。通过技术之间的相互协调，逐渐提高整体的发电效果，以此来推动实际工作顺利进行。并网发电一般都是白天使用，晚上依然用电网电量。加上储能（蓄电池）以后晚上就可以用储能系统继续放电。随着光伏“弃光限电”现象严重，以及光伏发电系统电力输出的波动较大等因素，对可再生能源的利用及推广限制日益严重后，在并网式光伏系统中配置储能已成为目前大规模储能系统的方向之一。

1.2 项目案例

（1）基本概况。空港新动能（高）标准厂房建设项目一期占地面积26371.10m2，约40亩，总建筑面积47442.95m2，二期规划用地面积83064.31m2，总建筑面积208493.44m2，按土地规划条件及业主设计目标，项目拟采用单晶硅光伏组件和储能站。

（2）平面布置设计。本项目屋面有大面积可设置光伏面板区域，为光伏系统提供了有利条件，经过光伏面板的布置设计，经计算光伏安装容量为1125kW，储能为2000kWh/A。光伏布置详见图1及图2。

（3）储能设计。本次设计两套250kW/1000kWh的储能预制舱系统，分别放置于一期、二期，每套占地20m2左右。一套全系统重量约为18吨，每天充放电约2000度电。每天峰谷价差（峰1.03元，谷0.3元）收益按0.7元/kWh计算，可获利1400元，一年可获利51万元。一套系统250万元成本，约需要5年收回成本，系统全生命周期为10年，最终单套系统获利250万元，两套获利500万元。系统为智能维护设计，自动化监控系统能够保障10年安全稳定运行[2]。

（4）发电量统计。根据江苏省年平均日照量和日照数，同时考虑附近其他的建筑物遮挡问题，本工程的首年发电量约为119.7万度，见图3；2025年预估总发电量2722.06万度，年平均发电量108.88万度，见图4。

（5）造价及收益。按照该项目一期二期太阳能光伏总的装机容量1.125MW，工期约6个月，造价约为562万元。储能2MWh，工期约2个月（含一个月工厂生产），造价约为500万元。其中本项目选择主要设备为太阳能电池板（545W）、逆变器（100W，AC400V）、交流汇流箱（4进1出）、支架（镀锌钢）、并网柜（2进1出）、计量柜（计量表，并网断路器，失压跳闸模块）等。按照100%全额消纳，本项目静态回收期6年，25年总收益约为1343.44万元，如图5所示。

2 项目总结

2.1 科学地选址

在进行太阳能光伏发电系统设计工作中，要利用现有的建筑条件及地势条件科学选址。太阳能光伏发电站对周边环境要求较高，因此在实际工作中需要先进行科学的选址，为后续系统运行提供必要性的保障。例如，在实际设计时要结合当地的光照条件，保证有充足光照照射在太阳能板上，达到良好的发电效果，同时还需要远离容易发生自然灾害的区域，地势要平坦，避免由于自然因素而对系统运行造成一定的影响。此外，在太阳能光伏发电站周边不要有较多的遮挡，要尽可能地选择非常宽阔而光照充足的区域，从而提高整体的设计效果[3]。

2.2 发电系统容量设计

发电系统容量设计是太阳能光伏发电系统中重要的组成部分，有助于促进系统的平稳运行，所以在实际工作中需要更加精准地完成发电系统的容量设计，为后续的使用提供重要的基础。在实际工作中需要罗列出当地太阳能光伏发电系统的负载率，确定负载大小以及耗电情况，在此基础上，科学地选择对应的蓄电池容量，不断优化当前的设计模式。同时还需要计算出太阳能光伏发电系统的电流，了解太阳能光发电的最佳电流匹配度，之后再罗列出不同的方阵电压，确定系统的功率特点和运行特点等，不断完善当前的设计模式[4]。另外在进行方阵功率设计时，要配合增加串联的方式，通过并联整理方式来得出最终数值，从而使发电系统容量设计效果能够得到全面的提高。

3 太阳能光伏发电系统的安装要点

3.1 支架基础安装

常用的布置方式包含：当地的最佳倾角、单轴跟踪方式、双轴跟踪方式。根据国际、国内光伏电站的运行经验，在太阳电池性能等同等的条件下，一般方阵平单轴安装方式的发电量约是固定式安装方式的1.1～1.2倍，成本约为1.05～1.2倍；方阵双轴跟踪安装方式的发电量约是固定式安装方式的1.3～1.4倍，成本约为1.15～1.35倍。采用固定式安装，这种布置方式的优点是支架系统简单，安装方便，布置紧凑，节约场地，综合考虑电站的可靠性和经济性[5]。在实际支架安装时要特别注意方阵基架的方位角和倾斜角均要满足设计的规范及要求，同时还需要将底部的水平度控制在三毫米范围之内。如果水平度超出预定值时，可以利用垫铁来进行调平操作，和设计方案进行相互的协调，提高整体的安装效果。在独立型太阳能光伏发电系统机电安装时期，表面要尽可能地平整，避免对电池内部造成一定的损伤。另外基架和地面的高度也要根据季节的变化来做出科学调整，从而使太阳能面板能够获得充足的接收面积和光照时间，提高整体的发电效率。

3.2 组件的安装

在进行这一部分安装时，需要特别注意每一个组件的质量，要在安装之前先进行参数的检查以及测量，保证参数符合相关要求之后，再测量出太阳能组件的开路电压以及短路电流，不断地完善当前的安装模式。在工作参数设定方面要在统一方针中以提高太阳能光伏发电系统的方阵发电效率为主，更加有序地实施当前的安装模式。在太阳能面板安装中，要尽可能避免磕碰，可以采取相对的防护措施来达到良好的安装效果。太阳能面板和固定基架的配合如果出现不紧密的情况，要使用铁片来进行垫平操作，从而使两者之间的连接性能够得到全面的提高，满足后续的应用要求以及标准。在面板安装时，需要在面板边框上进行预制安装，连接不同的组件，在使用螺丝时需要特别注意其中的紧密度，并且还要按照使用的标准进行放松工作，遵循灵活性安装原则，提高整体的安装效果。在太阳能组件安装到基架时，要尽可能地保证安装的品质，并且安装上的太阳能组件和机架之间的空隙率要大于8毫米左右，从而使太阳能组件的散热能力能够得到全面的增强。太阳能的面板安装要注意防水和防霜，采取更加科学的保护措施，防止对后续使用造成一定的损伤[6]。

4 结论

通过上述工程案例及总结，本文分析了太阳能光伏发电系统及储能系统在建筑中的具体系统设计及安装，并进行了发电量、造价及收益率的分析。太阳能光伏与建筑的结合在不断进步，光伏建筑一体化设计（BIPV）也在不断地发展中，在中国建筑节能40年的历程基础上，太阳能光伏发电系统将面临着巨大的市场及广阔的发展前景。